CN1482084A - 拉伸光纤的装置和控制光纤预型体的进给速度的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于拉伸光纤的装置，以及一种用于控制光纤的预型体的进给速度的方法，通过它们可以稳定光纤的拉伸速度，以使外径的尺寸保持均匀。依据光纤的外径，确定绞盘速度。当绞盘的速度在目标速度的范围之外时，控制预型体的进给速度，以使绞盘的速度落入目标范围中。控制单元包括加速单元，该加速单元接收从绞盘输出的拉伸速度信号，并且计算预型体的进给速度。控制单元依据从外径测量单元接收到的、表示光纤的外径变化的信号，通过调整绞盘的速度，调整光纤的外径。

Description

拉伸光纤的装置和控制光纤预型体的进给速度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于拉伸(draw)光纤的装置和用于控制光纤的进给速度的方法。更具体地说，本方法涉及一种预型体(preform)，通过该预型体来稳定光纤的拉伸速度，以使光纤的外径保持均匀。

背景技术

通常来说，当拉伸光纤时，使用光纤的拉伸速度来控制光纤的外径的长度。图1是显示用于拉伸光纤的装置的基本配置的视图。

如图1所示，该装置包括：光纤预型体进给器2；熔化炉3，它加热和熔化光纤预型体1；外径测量单元4，它测量光纤6的外径；光纤敷涂装置5；绞盘7；卷轴8，它缠绕光纤6；以及PID控制单元9。预成型进给器2将一定量的光纤预型体1输送到熔化炉3，输送的量等于已拉伸的光纤6的量。光纤敷涂单元5执行为光纤6涂敷涂层的过程，以便保护光纤，从而防止潮湿、磨损、杂质等。绞盘7的旋转使用摩擦力来拉动光纤，从而使光纤保持均匀的外径。

此时，至少将光纤预型体的熔化温度设置为炉3的熔化温度，并且固定光纤预型体的进给速度。光纤的熔化率与光纤的拉伸率相同。因此，按照以下的等式1给出光纤的拉伸速度。

等式1

Df＝Dp√(Sp/(Sf×1000)

其中：(Df(mm)：拉伸光纤的外径，Sf(m/min)：光纤的拉伸速度，Dp(mm)：预型体的外径，Sp(mm/min)预型体的进给速度)。

执行光纤拉伸过程，以便尽可能获得具有均匀尺寸的外径的光纤，从而使光纤的光衰减最小化，以及改善光纤的张力。

按照惯例，为了使光纤的外径保持均匀，依据预成型光纤的熔化率的变化，控制绞盘的速度。参考图2，此传统的控制方法总结如下。

图2是说明传统的控制过程的流程图。首先，在接收到表示光纤的外径的信号之后(S21)，确定是否执行自动控制(S22)。当确定的结果是不执行自动控制(S23)时，输出信号，以便固定绞盘的速度(S24)。当确定的结果是执行自动控制(S25)时，检查外径的信号(S26)，并且依据检查的结果，使用PID控制单元，控制绞盘的速度(S27)。

然而，通常，随着光纤的消耗，预型体的长度变得较短(如图3所示)，并且在预型体的内部积累了用于熔化预型体的热量。热量的积累使预型体的熔化率发生变化，从而增加了预型体的熔化率。同时，随着预型体增加的熔化率来改变拉伸速度，以便使光纤的外径保持均匀。

图3a、3b和3c是分别显示正常预型体的形状、预型体的里面的部分开始消耗时的预型体、以及只留下最里面的部分时的预型体。此时，参考符号3 1和32分别表示连接管和预型体。

图4为示出耗尽预型体的里面部分时，已有技术的光纤拉伸速度的变化的曲线图。这里，垂直与水平轴分别表示归一化Δ拉伸速度以及光纤拉伸时间(min)。

如图4所示，在里面的部分开始消耗的25分钟内，拉伸速度的变化不是非常陡。然而，随着消耗的继续，拉伸的速度突然地增加。只有当余下最里面的部分时(如图3c所示)，由于预型体的量不足够，拉伸速度突然降低，结果，完成光纤的拉伸的过程。

因此，当只使用绞盘来控制光纤的外径时(如现有技术)，会出现以下的问题。首先，光纤逐渐变得越来越不直，从而增加了光纤的光特性的不合格率。其次，拉伸速度的变化导致了光纤的外径或者保护涂层的不均匀性的增加。第三，需要的连续的观察来控制进给速度，从而，劳动力的使用效率低下。

发明内容

因此，考虑到现有技术的以上问题，提出了本发明。所以，本发明的目的是提供一种用于拉伸光纤的装置，以及一种用于控制光纤预型体的进给速度的方法，因而，即使当在光纤的拉伸期间，由于热量的累积导致预型体内部热量的变化，仍可以保持均匀的光纤拉伸速度。

本发明的另一目的是提供一种用于拉伸光纤的装置，以及一种控制光纤预型体的进给速度的方法，从而可以稳定从预型体的里面的部分中拉伸的光纤的光特性。

依据本发明的第一方面，通过提供用于拉伸光纤的装置，可以实现上述和其他目的，该装置包括：

熔化炉，它熔化光纤预型体；

预型体进给器，它将预型体进给到熔化炉中；

绞盘，它通过向预型体施加张力来拉伸光纤；

外径测量单元，它测量拉伸光纤的外径；以及

控制单元，它控制光纤的外径，

其中，控制单元包括：计算单元，它接收从绞盘输出的拉伸速度信号，并且计算预型体的进给速度。

优选的是，计算单元在当前时期前的任意时期内的拉伸速度的斜率(slope)，通过使用计算得到的斜率，获得以后的任意时间的预计的拉伸速度，然后估算依据在当前拉伸速度和目标拉伸速度之间的差别的补偿值，以及估算在当前拉伸速度和稍后的任意时间预计的拉伸速度之间的差别的补偿值，并且依据估算的补偿值，计算预型体的进给速度。

依据本发明的另一方面，提供了一种控制光纤预型体的进给速度的方法，该方法包括步骤：

按照预定抽样周期的时间间隔，存储光纤的拉伸速度数据；

检查当前的拉伸速度是处在稳定的拉伸速度范围，还是处在不稳定的拉伸速度范围，并且当检查的结果是当前的拉伸速度处于不稳定的拉伸速度范围时，开始对预型体进给速度的自动控制；

依据存储的拉伸速度数据，获得最近的拉伸速度变化趋势；

依据最近的拉伸速度变化趋势，获得稍后的任意时间的拉伸速度的预计的偏差；

依据预计的值，获得预型体的进给速度的补偿值；

通过修改补偿值，获得预型体进给速度的修正值；以及

向目标速度添加预型体的进给速度的修正值，或者从目标速度中减去预型体进给速度的修正值。

优选的是，在步骤：向目标速度添加预型体的进给速度的修正值，或者从目标速度中减去预型体进给速度的修正值期间，当预型体的进给速度在从负预定值到正预定值的预定范围内时，通过将负预定值或者正的预定值加到当前进给速度上，改变当前的进给速度，并且按照预定的时间间隔，重复用于改变当前的进给速度以及确定修正值的范围的过程，直到进给的速度达到目标速度，从而防止进给速度的突然变化。

附图说明

从结合附图采用的以下详细描述中，将更加清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征、以及其他优点：

图1是显示用于拉伸光纤的装置的基本配置的视图；

图2是显示用于控制光纤的外径的常规过程的流程图；

图3a、3b和3c是显示预型体的形状的视图；

图4是显示当预型体的里面的部分被消耗时，在现有技术中的光纤拉伸速度的常规变化的曲线图；

图5是说明在依据本发明的、用于拉伸光纤的装置中的信号流的视图；

图6是显示依据本发明，控制光纤预型体的进给速度的过程的流程图；

图7是显示依据本发明，用于分类和传送预型体的进给速度的过程的流程图；

图8是说明相对于拉伸速度的损耗特性的曲线图；以及

图9是说明当预型体的里面的部分被消耗时，拉伸速度变化的曲线图。

具体实施方式

现在，将参考图5到图8，详细描述本发明的优选实施例。在图中，即使在不同的图中示出，也使用相同的参考符号表示相同或者相似的元件。在以下的描述中，当可能使本发明的主题相当不清楚时，将忽略其中包含的已知功能和配置的详细描述。

图5是说明依据本发明，在用于拉伸光纤的装置中的信号流的视图。

与现有技术相似，该装置包括熔化炉、预型体进给器、光纤外径的测量单元、敷涂单元、绞盘、卷轴、以及控制单元。以下，将集中对控制单元进行描述。

如图5所示，控制单元10从绞盘20中接收表示光纤的拉伸速度的信号，并且使用接收到的拉伸速度信号，计算预型体的进给速度。控制单元10依据计算得到的值，输出变化的预型体的进给速度信号，以便改变预型体进给器30的预型体进给速度。预型体进给速度的变化导致预型体进入炉中以便熔化的速率发生改变。这导致了光纤的外径的变化。当由于外径的变化，从外径测量单元40接收到改变的外径信号时，控制单元10改变绞盘的速度，以便使外径保持均匀，从而改变光纤拉伸速度。

图6是显示依据本发明，用于控制光纤预型体的进给速度的过程的流程图。参考图6，预型体的进给速度描述如下。

当开始光纤拉伸过程时(S51)，重新设置计时器(S52)。每次启动计时器t1时(S53)，存储表示光纤拉伸速度的绞盘速度数据(S54，S55)。此时，“t1”表示用于收集数据的抽样时间。

按下用于自动控制预型体进给速度的激励器，以便激活自动控制(S56)，并且每次启动计时器t2时(S57)，确定当前的拉伸速度是在稳定的拉伸速度范围中，还是在不稳定的拉伸速度范围中(S58)。当确定的结果是当前的拉伸速度处于稳定的拉伸速度范围中(S59)时，每次启动计时器t2时，重复步骤S58的确定。当确定的结果是当前的拉伸速度处于不稳定的速度范围中时(S60)，则开始自动进给速度控制(S61)。

当开始自动进给速度控制(S61)时，计算最近的拉伸速度变化趋势(S62)。每次启动计时器t1时，使用收集的数据执行对最近的拉伸速度变化趋势的计算。依据三个条件：加速、减速、匀速，以及用于观察变化趋势的两个不同的时间长度，将最近的拉伸速度变化趋势分类为5种类型。依据各自不同的速度变化方式，将变化的趋势归类为以下5种类型的其中之一：加速Lt(长期加速：S621)、加速St(短期加速：S622)、匀速(S623)、减速St(短期减速：S624)、以及减速Lt(长期减速：S625)。

在步骤(S62)已经确定速度变化趋势类型之后，对于每一种趋势类型，计算时间t3后的预计的偏差V。以及预计的偏差表示依据当前的速度变化趋势估算的、时间t3之后的绞盘速度值。在下表1中给出了趋势类型的确定，以及预计的偏差的计算。

表1

t1前的速度-t2前的速度	当前的速度-t1前的速度	确定变化的趋势	计算预计的偏差
				加速(增加)	加速	加速Lt	((D-D2)×2+D2)
匀速	匀速	D
			减速		减速St	((D-D1)×3+D1)
匀速(不变)	加速	加速St					((D-D1)×3+D1)
			匀速	匀速	D
	减速	减速St				((D-D1)×3+D1)
			减速(降低)	加速	加速St		((D-D1)×3+D1)
匀速	匀速	D
				减速	减速Lt	((D-D2)×2+D2)

(D：当前的拉伸速度数据，D1：t1时间前的拉伸速度数据，D2：t2时间前的拉伸速度数据)。

在计算预计的偏差之后(S63)，依据以下的等式2计算预型体的进给速度的补偿值CV(S64)。

等式2

CV＝(Df/Dp)²×2V

  ＝[{Dp√(Sp/(Sf×1000))}/Dp]²×2V

  ＝(Sp×2V)/(Sf×1000)

(Df：拉伸光纤的外径，Dp：预型体的外径，Sf：光纤拉伸速度，CV：预型体的进给速度的补偿值)

然而，随着拉伸的速度变得离稳定的拉伸速度范围更远，可以修改预型体的进给速度的补偿值CV(S65)，以使拉伸速度向稳定的范围加速。因此，在计算了预型体的进给速度的初始补偿值CV之后(S64)，依据以下的等式3计算预型体的进给速度的修正值CS(S65)。

等式3

CS＝(CV/3)²，

(CS：相对于离稳定范围的距离的修正值，CV：预型体的进给速度的补偿值)

在计算了预型体的进给速度的修正值CS之后(S65)，确定修正值CS的符号是正还是负(S66)。换句话说，确定是减去还是加上计算得到的修正值CS。此时，进行修正值CS的符号的确定，从而绞盘的速度变得离稳定的拉伸速度范围更近。

最后，依据确定的符号，通过将计算的修正值CS加到目标速度TS上，或者从目标速度TS中减去计算的修正值CS，获得最终的预型体的进给速度，以便保持稳定范围内，以及使预型体保持在稳定的状态。

此时，当绞盘的速度突然增加或者降低时，它的突然变化的速度输入导致光纤外径的变化。为了防止外径的变化，依据图7所示的流程图的步骤，对进给速度进行分类以便传送。

如图7所示，为了执行进给速度校正(S71)，从目标速度中减去当前的速度，以便计算它们之间的偏差(S72)。然后，对偏差进行检查(S73)。当检查的结果是偏差处于预定的范围例如从-0.1mm/min到0.1mm/min的范围内时(S74)，由于两者的速度接近，将进给速度保持在当前的速度(S75)。如果检查的结果是偏差小于-0.1mm/min(S77)时，从当前的速度中减去0.1(S78)，然后传送得到的值(S79)。当检查的结果是偏差大于0.1mm/min(S80)时，在当前的速度上加上0.1(S81)，然后传送得到的值(S82)。重复该过程(从S72到S76)，以使当前的速度从目标速度进入预定的范围。

当按照这样的方式控制光纤预型体的进给速度时，拉伸速度如图8和9所示变化。

图8是说明相对于拉伸速度的损耗特性的曲线图。如该曲线图所示，与拉伸速度不稳定的情况相比，当拉伸速度稳定时，改善了在预型体的里面部分的损耗特性。

图9是说明当预型体的里面部分被消耗时，拉伸速度变化的曲线图。如该曲线图所示，当依据本发明，自动控制进给速度(A)时，即使在预型体的里面部分开始消耗之后，进给速度也变得几乎一致。相反，当不执行自动控制(B)时，如参考图4以上所提到的，在里面部分开始消耗后的25分钟内，拉伸速度的变化的斜率不是很陡。但是，随着预型体的量变小，斜率突然增加。当只余下最里面的部分时，由于预型体的量不足够，拉伸速度突然降低，结果，完成光纤拉伸过程。

如上所述，本发明的优点在于：控制预型体的进给速度，以便稳定拉伸速度，从而改善了光纤外径的均匀性。

此外，本发明的优点在于：当预型体的里面的部分消耗时，稳定绞盘的速度以便拉伸光纤，从而改善了光纤的质量，特别是降低了损耗产生率。

此外，本发明的优点在于：自动控制预型体的进给速度，以便实现劳动力的有效管理。

虽然出于说明的目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到：在不脱离所附权利要求公开的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改、添加、以及替换。

Claims (12)

1.一种用于拉伸光纤的装置，包括：

熔化炉，它使光纤预型体熔化；

预型体进给器，它将预型体进给到熔化炉；

绞盘，它通过从熔化炉中拉伸预型体，拉伸光纤；

外径测量单元，它测量已拉伸的光纤的外径；

控制单元，它控制光纤的外径，其中

控制单元包括计算单元，该计算单元接收从绞盘输出的拉伸速度信号，并且计算预型体的进给速度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于控制单元依据从外径测量单元接收到的、表示光纤的外径的变化的信号，通过调整绞盘的速度，调整光纤的外径。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于计算单元计算在先前的任意时间周期内拉伸速度的斜率，并且通过使用计算得到的斜率，获取将来的任意时间周期的预计的拉伸速度，并且依据在当前的拉伸速度和目标拉伸速度之间的差别估算补偿值，以及估算依据当前的拉伸速度和稍后的任意时间的预计的拉伸速度之间的差别的补偿值，并且依据预计的补偿值，计算预型体的进给速度。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于先前任意的时间周期包括在由预型体进给器自动进给之前的周期。

5.一种控制光纤预型体的进给速度的方法，包括步骤：

(a)按照抽样周期的间隔，存储表示光纤的拉伸速度的数据；

(b)检查结果以确定当前的拉伸速度是否处于(i)稳定的拉伸速度范围和(ii)不稳定的拉伸速度范围的其中之一内；

(c)当检查的结果表示预型体的拉伸速度处于不稳定的拉伸速度范围内时，开始对预型体的进给速度的自动控制；

(d)依据存储的拉伸速度数据，获取在预定时间周期内的最近的拉伸速度的变化趋势；

(e)依据最近的拉伸速度变化趋势，获取随后的任意时间的拉伸速度的预计的偏差；

(f)依据预计的值，获取预型体的进给速度的补偿值；

(g)通过修改补偿值，获取预型体进给速度的修正值，以使拉伸速度向稳定的拉伸速度范围加速；以及

(h)向目标速度中加入预型体的进给速度的修正值，或者从目标速度中减去预型体的进给速度的修正值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于步骤(d)包括将速度趋势分类为五种类型，这五种类型包括：(i)长期加速、(ii)短期加速、(iii)匀速、(iv)短期减速、(v)长期减速。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在步骤(e)中，依据以下等式中的每一个，对于每一种趋势的类型，确定随后的任意时间的拉伸速度的预计的偏差：

在长期加速的情况下，V＝{(D-D2)×2+D2}-T，

在短期加速的情况下，V＝{(D-D1)×3+D1}-T，

在匀速的情况下，V＝(D-T)×3，

在短期减速的情况下，V＝{(D-D1)×3+D1}-T，

在长期减速的情况下，V＝{(D-D2)×2+D2}-T，

其中，“V”表示预计的偏差，“D”表示当前的拉伸速度，“D1”表示时间t1之前的拉伸速度，以及“D2”表示时间t2前的拉伸速度。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于由以下的等式确定在步骤(f)中的预型体的进给速度的补偿值：

CV＝(Df/Dp)²×2V

  ＝[{Dp√(Sp/(Sf×1000))}/Dp]²×2V

  ＝(Sp×2V)/(Sf×1000)，

其中，“Df”表示已拉伸的光纤的外径，“Dp”表示预型体的外径，“Sf”表示光纤的拉伸速度，以及“CV”表示预型体的进给速度的补偿值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于通过以下的等式确定在步骤(g)中的预型体进给速度的修正值：

CS＝(CV/3)²，

其中，“CV”表示预型体的进给速度的补偿值，以及“CS”表示预型体进给速度的修正值。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于步骤(h)还包括：

对预型体的进给速度进行分类，以便传送，从而防止预型体的进给速度的突然变化。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于在向目标速度中加入预型体的进给速度的修正值，或者从目标速度中减去预型体的进给速度的修正值的步骤中，对预型体的进给速度进行分类以便传送，从而防止预型体的进给速度的突然变化。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于分类的传送过程包括：

第一步骤：通过从目标速度中减去当前的预型体的进给速度，获取偏差；

第二步骤：当获得的偏差在从负预定值到正预定值的预定范围内时，照原样保持当前的进给速度；当获得的偏差小于负的预定值时，将负的预定值加到当前的进给速度上，当获得的偏差大于正的预定值时，将正的预定值加到当前的进给速度上；然后将相加后的当前进给速度确定为当前的进给速度；以及

第三步骤：重复第一和第二步骤，直到预型体的进给速度达到目标速度。

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